诺贝尔获奖化学成果催生下一代储能设备

诺贝尔获奖化学成果催生下一代储能设备该装置由通过新一代化学反应合成的材料组成，三位科学家因此获得了2022年诺贝尔化学奖。聚合物薄膜电容器是一种电气元件，利用薄塑料层作为绝缘层，在电场中存储和释放能量。聚合物薄膜电容器约占全球高压电容器市场的50%，具有重量轻、成本低、机械灵活性强、可循环使用等优点。但是，最先进的聚合物薄膜电容器的性能会随着温度和电压的升高而急剧下降。开发耐热性和耐电场性更强的新材料至关重要；而创造化学性近乎完美的聚合物则提供了实现这一目标的途径。"我们的研究为电稳健聚合物增添了一个新类别。它为探索更坚固、更高性能的材料开辟了许多可能性，"伯克利实验室化学家、报告这项工作的焦耳研究的资深作者YiLiu说。Liu是伯克利实验室能源部科学办公室用户设施分子铸造厂的有机和大分子合成设施主任。除了在高温下保持稳定之外，电容器还需要是一种强"介电"材料，这意味着它在承受高电压时仍是一种强绝缘体。然而，目前已知的材料系统很少能同时提供热稳定性和介电强度。造成这种稀缺性的原因是缺乏可靠、方便的合成方法，以及对聚合物结构与性能之间关系缺乏基本了解。刘说："提高现有薄膜的热稳定性，同时保持其电绝缘强度，是一项持续的材料挑战。"分子铸造厂的研究人员与斯克里普斯研究所的研究人员长期合作，现已解决了这一难题。他们利用2014年开发的一种简单快速的化学反应，将含氟硫键化合物中的氟原子置换出来，生成了名为聚硫酸盐的硫酸盐分子长聚合物链。多硫酸盐具有优异的热性能，可浇铸成柔韧的独立薄膜。以这种薄膜为基础的高温高压电容器在150摄氏度的高温下显示出最先进的储能特性。这种电力电容器有望提高电气化交通等高要求应用中集成电力系统的能效和可靠性。资料来源：YiLiu和He(Henry)Li/伯克利实验室这种氟化硫交换（SuFEx）反应是由斯克里普斯研究所化学家、两届诺贝尔化学奖得主巴里-夏普莱斯（K.BarrySharpless）与同为斯克里普斯研究所化学家的吴鹏（PengWu）共同开创的点击化学反应的下一代版本。这种近乎完美而又易于操作的反应通过不同反应基团之间形成的强化学键将独立的分子实体连接起来。Liu的团队最初使用各种热分析工具来研究这些新材料的基本热性能和机械性能。作为伯克利实验室合成和鉴定可用于储能的新型材料计划的一部分，Liu和他的同事们现在发现，令人惊讶的是，聚硫酸盐具有出色的介电性能，尤其是在高电场和高温度下。"有几种商用和实验室生成的聚合物因其介电性能而闻名，但聚硫酸盐从未被考虑过。分子铸造厂和伯克利实验室材料科学部的博士后研究员、本研究的第一作者HeLi说："多硫酸盐与介电质的结合是本研究的新颖之处之一。Liu受到多硫酸盐优异的基线介电性能的启发，研究人员在这种材料的薄膜上沉积了极薄的氧化铝（Al2O3）层，从而设计出了具有更强储能性能的电容器设备。他们发现，制造出的电容器具有出色的机械柔韧性，能承受每米超过7.5亿伏特的电场，并能在高达150摄氏度的温度下高效工作。相比之下，目前的基准商用聚合物电容器只能在低于120摄氏度的温度下稳定工作。超过这个温度，它们只能承受每米小于5亿伏特的电场，能效严重下降一半以上。这项工作为探索坚固耐用的高性能储能材料提供了新的可能性。吴说："我们深入了解了这种材料具有卓越性能的内在机理。"这种聚合物兼顾了电学、热学和机械性能，这很可能得益于点击化学反应中引入的硫酸盐连接。由于模块化化学反应具有非凡的结构多样性和可扩展性，因此同样的途径可以提供一条通往性能更高的新型聚合物的可行之路，从而满足更苛刻的操作条件。这些聚硫酸盐是成为最先进的新型聚合物电介质的有力竞争者。一旦科学家们克服了薄膜材料大规模制造工艺的障碍，这些设备就能极大地提高电动汽车集成动力系统的能效，并增强其运行可靠性。夏普勒斯说："谁能想到，一层微弱的硫酸盐聚合物薄膜能抵御闪电和火焰这两种宇宙中最具破坏力的力量呢？""我们正在不断突破热性能和电性能的极限，加速从实验室到市场的转变，"Liu补充道。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378789.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378789.htm

全新电极材料可大幅提升容量 经济实惠且环保无毒

全新电极材料可大幅提升容量经济实惠且环保无毒他们使用储量丰富、环保原材料合成的聚合物多孔材料作为电池电极。他们还设计了离子导体功能材料作为固态电解质，以提高电化学性能。全球大学网络是由24所研究主导型大学组成的非营利性联盟，成立于2000年，香港中文大学和台湾成功大学也在其中。它向成员大学提供财政和基础设施支持，以支持国际研究合作和学术流动。注：24家大学会员名单据悉，在上述最新研究中，他们的关键成果是开发了一种小分子有机电极材料——六氮杂蒽（HATA）嵌入醌（HATAQ）。通过将共轭醌基团引入到缺乏电子的六氮二苯衍生物核中，全新电极材料显示出获得超高金属离子存储容量的潜力。台湾成功大学（NCKU）教授WatchareeyaKaveevivitchai说：“有机电极材料有很多优点，比如低成本和环保。它们还包含大量的氧化还原活性位点，能够在氧化还原电位下经历多电子转移过程，如果适当调整，可以导致高能量密度。”此外，受到这种新型电极材料在锂离子电池中优异电化学性能的启发，科学家们还研究了该化合物作为其他可充电电池系统的阴极，这些系统被认为是更安全、更便宜的，例如钠电池和新电池。他们的研究结果已于近期发表在了《材料化学杂志A》上。具体来说，在使用1摩尔ZnSO4溶液作为电解质的可充电锌离子电池中，大量的氧化还原活性位点和延长的共轭使其提供了492mAh/g的超高容量，而且表现出极强的稳定性，即使在1000次循环后仍能保留99%。研究人员表示，这种新型电极材料的性能是迄今为止报道的水性锌离子电池中最好的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346095.htm

超微型超级电容器：改变游戏规则的储能奇迹

超微型超级电容器：改变游戏规则的储能奇迹印度科学研究院（IISc）仪器与应用物理系（IAP）的研究人员设计出了一种新型超微超级电容器，这是一种能够存储大量电荷的微型装置。它比现有的超级电容器更小、更紧凑，可用于从路灯到消费电子产品、电动汽车和医疗设备等多种设备。目前，这些设备大多由电池供电。然而，随着时间的推移，这些电池会失去储存电荷的能力，因此保质期有限。而电容器凭借其设计，可以存储更长时间的电荷。例如，一个工作电压为5伏的电容器在十年后仍能以相同的电压工作。但与电池不同的是，超级电容器不能持续放电，例如为手机供电。另一方面，超级电容器集电池和电容器的优点于一身，既能储存又能释放大量能量，因此在下一代电子设备中备受青睐。在最近发表在《ACSEnergyLetters》上的这项研究中，研究人员使用场效应晶体管（FET）作为电荷收集器，而不是现有电容器中使用的金属电极，制造出了他们的超级电容器。"使用场效应晶体管作为超级电容器的电极是调整电容器电荷的新方法，"该研究的通讯作者、IAP教授AbhaMisra说。设备示意图。资料来源：VinodPanwar和PankajSinghChauhan电容器设计的创新目前的电容器通常使用基于金属氧化物的电极，但它们受到电子迁移率低的限制。因此，米斯拉和她的团队决定制造混合型场效应晶体管，由二硫化钼（MoS2）和石墨烯的几原子厚层交替组成，以提高电子迁移率，然后与金触点相连。两个FET电极之间使用固体凝胶电解质，以构建固态超级电容器。整个结构建立在二氧化硅/硅基底上。米斯拉说："设计是关键部分，因为你要整合两个系统。这两个系统是两个场效应晶体管电极和凝胶电解质（一种离子介质），它们具有不同的电荷容量。该研究的主要作者之一、IAP的博士生维诺德-潘瓦尔（VinodPanwar）补充说，制造这种装置以获得晶体管的所有理想特性具有挑战性。由于这些超级电容器非常小，没有显微镜是无法看到的，而且制造过程需要高精度和手眼协调。"VinodPanwar在无尘室中制作设备。资料来源：PragyaSharma性能和未来计划超级电容器制作完成后，研究人员通过施加各种电压测量了该装置的电化学电容或电荷保持能力。他们发现，在某些条件下容量增加了3000%。相比之下，仅含有MoS2而不含石墨烯的电容器在相同条件下容量仅提高了18%。今后，研究人员计划探索用其他材料替代MoS2能否进一步提高超级电容器的存储能力。他们补充说，他们的超级电容器功能齐全，可通过片上集成应用于电动汽车电池等储能设备或任何小型化系统中。他们还计划为超级电容器申请专利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392215.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392215.htm

微型无线电供电贴纸可测量物体间的作用力

微型无线电供电贴纸可测量物体间的作用力ForceSticker贴在两个接触物体的界面上图/DavidBaillot/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院ForceSticker的核心是一个电容器，大小与米粒差不多。它由夹在两条导电铜条之间的柔软聚合物片组成。当对贴纸施加外力时，聚合物会压缩，从而使两根铜条相互靠近。这样，电容器的电荷量就会增加。ForceSticker的另一个主要部件是RFID（射频识别）标签，它通过手持式RFID阅读器发出的无线电信号获得临时供电。该标签利用集成天线将修改后的信号传回阅读器--该信号现在包含有关链接电容器当前电荷水平的信息。然后，定制软件会将这些数据转换成外力的测量值。研究人员在膝关节模型中成功测试了ForceStickerDavidBaillot/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院通过改变电容器所用聚合物的软硬度，可以制造出灵敏度很高或灵敏度较低的ForceSticker，前者适用于测量较小的力，后者适用于测量较大的力。在目前进行的测试中，灵敏度很高的贴纸被用来监测模型膝关节的受力情况，而灵敏度较低的贴纸则被用来监测放置在盒子里的各种大型物体的重量。在这两种情况下，ForceStickers在使用了10000多次力之后仍然有效。这些贴纸的制造成本也相对较低，每张成本约为2美元，如果扩大生产规模，这一数字应该会大幅下降。此外，用户最终还可以用智能手机代替专用的RFID阅读器。首席科学家DineshBharadia教授说："人类天生就具有感知力的能力。为电子设备和医疗植入物提供这种力感应能力可能会改变许多行业的游戏规则"。有关这项研究的论文将在墨西哥举行的UbiComp2023会议上发表。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389389.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389389.htm

电容器领域的重大突破将带来功率密度提高170倍的微电子技术

电容器领域的重大突破将带来功率密度提高170倍的微电子技术劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家们创造出了"微型电容器"，解决了这一缺陷。这些电容器由氧化铪和氧化锆的工程薄膜制成，采用了芯片制造中常用的材料和制造技术。它们的与众不同之处在于，由于使用了负电容材料，它们能够存储比普通电容器多得多的能量。电容器是电路的基本元件之一。电容器将能量储存在由绝缘材料（非金属物质）隔开的两块金属板之间形成的电场中。与通过电化学反应储存能量的电池相比，电容器可以快速供电，使用寿命更长。然而，这些优势的代价是能源密度大大降低。也许这就是为什么我们只见过鼠标等低功率设备采用这种技术，而笔记本电脑却没有的原因。此外，如果将它们缩小到微电容大小用于片上能量存储，问题只会更加严重。研究人员通过设计HfO2-ZrO2薄膜来实现负电容效应，从而克服了这一难题。通过对成分进行恰到好处的调整，他们能够让这种材料在即使很小的电场作用下也能轻松极化。为了提高薄膜的储能能力，研究小组每隔几层HfO2-ZrO2就放置一层原子级氧化铝薄层，从而使薄膜厚度达到100纳米，同时保持了所需的性能。这些薄膜被集成到三维微型电容器结构中，实现了破纪录的性能：与当今最好的静电电容器相比，能量密度提高了9倍，功率密度提高了170倍。这是一个巨大的数字。伯克利实验室资深科学家、加州大学伯克利分校教授兼项目负责人赛义夫-萨拉赫丁（SayeefSalahuddin）说："我们获得的能量和功率密度远远高于我们的预期。我们多年来一直在开发负电容材料，但这些结果非常令人惊讶。"该技术有助于满足物联网、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对小型化能源存储日益增长的需求。"有了这项技术，我们终于可以开始实现在极小尺寸的芯片上无缝集成能量存储和电力传输，"论文主要作者之一苏拉杰-切马（SurajCheema）说。"它可以开辟微电子能源技术的新领域。"这是一项重大突破，但研究人员并没有就此满足。现在，他们正在努力扩大这项技术的规模，并将其集成到全尺寸微芯片中，同时进一步提高薄膜的负电容。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435751.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435751.htm

生命催化剂：硫酸盐在生命进化过程中意想不到的作用

生命催化剂：硫酸盐在生命进化过程中意想不到的作用一项新的研究表明，硫酸盐岩石的风化，而不是海洋磷含量的增加，对地球大气的含氧量至关重要，影响了动物生命的后期进化，同时也表明其他星球上复杂智能生命的潜力可能需要更长的孵化时间。动物生命的第一次重大进化事件发生在570至5.5亿年前的一次被称为ShuramExcursion的事件中，据信，由于海洋磷含量增加，二氧化碳和氧气大量释放到大气和海洋中水平。为了验证这一理论，研究人员使用一种新开发的工具来追踪数亿年前海洋中磷的丰度，记录在澳大利亚、中国、墨西哥和美国的六个地点。数据和地球化学模型显示，海洋磷含量的增加无法解释氧气的增加。只有当大量硫酸盐岩石风化时，模型才会复制这种效应，将硫酸盐释放到海洋中，产生大量氧气。主要作者、福雷斯特研究员、西澳大学地球科学学院的马修·多德博士表示，研究结果表明，在复杂生命的第一次重大进化过程中，硫酸盐而不是磷是地球氧化的主要控制因素。多德博士说：“我们的发现可以解释地球历史上长期存在的低氧气含量，以及由此导致的地球上动物生命的晚期进化。重要的是，我们观察到，在舒拉姆游览期间，当氧气含量较低时，海洋磷含量主要较低。这种现象将使早期的海洋和大气陷入缺氧状态。”这项研究的数据还对其他行星上存在智慧生命的可能性产生了影响。“这些结果表明，其他潜在的宜居行星可能支持复杂的智慧生命，只要提供足够长的孵化时间，”多德博士说。“这可能意味着，由于大恒星的寿命相对较短，比太阳大的恒星周围的行星可能不会发展出复杂的智慧生命。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1367059.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1367059.htm